Применение метода регистрации замедленной флуоресценции

Проблемы экологии Южного Урала
УДК 556.51:582.26/27
Кушнарева О.П., Ефремов И.В., Перекрестова Е.Н.
Оренбургский государственный университет
Еmail: [email protected]
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ ЗАМЕДЛЕННОЙ
ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
В статье авторы предлагают методику биотестирования природных вод на основе регистра4
ции замедленной флуоресценции хлорофилла микроводорослей. Приводятся результаты при4
менения этой методики для различных водоемов. Используются теоретические положения о
механизмах замедленной флуоресценции для анализа полученных кривых. Установлены корре4
ляционные зависимости между параметрами замедленной флуоресценции и химическим соста4
вом природных вод.
Ключевые слова: микроводоросли, замедленная флуоресценция, фотосинтез, природные
воды, биотестирование.
Фундаментальные исследования экологии,
физиологии, гидробиологии, биохимии и генети
ки показали перспективы использования микро
водорослей для оценки токсичности различных
веществ, природных и сточных вод.
Благодаря своему малому размеру микрово
доросли в большей степени, чем многоклеточные
организмы страдают от загрязнения, так как высо
кая удельная поверхность клеток способствует
накоплению поллютантов .
Нами предлагается методика биотестирова
ния природных вод на основе регистрации пара
метров кинетики замедленной флуоресценции
(ЗФ) хлорофилла микроводорослей. Выбор в ка
честве тестобъекта микроводоросли Scenedesmus
обусловлен тем, что данный вид водоросли, встре
чается повсеместно – в почве, в составе фитоплан
ктона рек, озер, прудов, в водоемах всех типов,
хотя и предпочитает стоячие загрязненные воды.
Этот вид водорослей рекомендован для раз
работки нормативов качества воды водных объек
тов рыбохозяйственного значения, в том числе нор
мативов предельно допустимых концентраций вред
ных веществ и для определения методом биотести
рования токсичности вод, донных отложений, заг
рязняющих веществ и буровых растворов [4].
Были отобраны образцы из водоемов, распо
ложенных как в относительно благополучных рай
онах, так и находящиеся рядом с крупными про
мышленными предприятиями и городскими очи
стными сооружениями.
Для исследования замедленной флуоресцен
ции микроводорослей, выращенных на природ
ной воде, была использована вода из следующих
источников: №1 – озеро Чистое; №2 – р. Донгуз,
пос. Экспериментальный; №3 – р. Урал, пос. Чер
норечье; №4 – р. Каргалка, пос. П.Покровка; №5 –
оз. Малашка (рн Сакмарской ТЭЦ); №6 – р. Урал,
очистные сооружения; №7 – озеро Микутка; №8
404
ВЕСТНИК ОГУ №12 (131)/декабрь`2011
– карьер Славянский; №9 – озеро Коровье; №10 –
р. Урал, п.Нежинка.
Действие образцов воды оценивали по из
менению параметров кинетики ЗФ. Измерения
проводились сразу после внесения водорослей в
пробы воды, а также через 35, 10, 24, 36, 48, 60,
72 часа. В качестве контроля принималась куль
тура водорослей, помещенная в стандартную сре
ду Прата. Рост численности микроводорослей
оценивали по изменению оптической плотности
суспензии.
На основании полученных данных были по
строены графические зависимости. На рисунке 1
представлено изменение амплитуды быстрой ком
поненты G во времени. На этих графиках показа
ны данные для всех водоемов в сравнении с конт
рольным образцом.
Во всех случаях наблюдается увеличение G
в течение первых суток. У образцов 2, 6, 7, 8 мак
симальное значение достигается очень быстро –
за три часа; через 10 часов выходят на максимум
образцы 4, 9, 10, а контрольный образец и номера
1, 3, и 5 только через 24 часа. После максималь
ного значения для всех образцов наблюдается
снижение быстрой компоненты. К окончанию
вторых суток значения G продолжают умень
шаться и через 72 часа становятся практически
одинаковыми. Наибольшее значение быстрой
компоненты (6995 имп.) отмечается у конт
рольного образца через 24 часа.
Подъем интенсивности ЗФ обусловлен нару
шением электронного транспорта вследствие вре
менной блокировки оттока электронов от ФС 2 в
ЭТЦ. Наиболее глубокие нарушения происходят,
как следует из результатов экспериментов, в тече
ние первых суток. В этот период клетки микрово
дорослей испытывают стресс, их фотосинтетичес
кий аппарат должен адаптироваться к новым ус
ловиям.
Кушнарева О.П. и др.
Применение метода регистрации замедленной флуоресценции...
По результатам исследований интенсивнос
ти замедленной флуоресценции с течением вре
мени можно отметить следующее. На кривых вы
деляются три зоны различного характера. Первая
зона – активное возрастание интенсивности ЗФ.
Максимум достигается за период от трех часов до
суток. Второй участок на кривой характеризуется
спадом свечения, который завершается к оконча
нию вторых суток эксперимента. Третий участок
– выход уровня ЗФ на постоянное значение в те
чение третьих суток. Достигнутое значение прак
тически не изменяется.
Замедленная флуоресценция дает важную
информацию о механизмах переноса электронов
в первичных процессах фотосинтеза. Согласно
современным представлениям о механизме ЗФ
[1], на интенсивность ЗФ влияет энергизация фо
тосинтетической мембраны и образование про
тонного градиента. С увеличением разницы по
тенциалов на противоположных сторонах мемб
раны растет выход ЗФ. Такой эффект наблюда
ется при создании диффузионной разности элек
трических потенциалов на мембране путем до
бавления солей. Также было замечено, что искус
ственно созданный трансмембранный градиент
протонов (ДрН) индуцирует всплеск флуорес
ценции. Такой эффект определяется изменением
поверхностного электрического потенциала на
ружной поверхности тилакоидной мембраны при
закислении среды.
Возрастание уровня ЗФ на первом этапе ис
следования подтверждает эти положения. В воде
из различных водоемов имеются существенные
различия по химическому составу. Образцы №№
2, 6, 7, 8 имеют повышенное содержание анионов
(Cl , NO3, SO42) и ионов металлов. Эти особен
ности и явились, по нашему мнению, причиной
самого быстрого роста интенсивности ЗФ.
Вторая фаза кривой – снижение уровня ЗФ
может быть обусловлена уменьшением разности
трансмембранного потенциала, вызванным, с од
ной стороны, уменьшением протонного гради
ента, с другой стороны, уменьшением концент
рации ионов.
Стадия стабильных значений ЗФ свидетель
ствует о завершении адаптационных процессов, ФСА
микроводорослей работает в активном режиме.
Переход клетки в устойчивое состояние при
резком изменении условий питания, как показы
вает анализ зависимостей интенсивности ЗФ, яв
ляется скачкообразным процессом. При опреде
ленном пороговом воздействии клетка переходит
на новый метаболический уровень, в новое диск
ретное функциональное состояние [2], [3].
Снижение уровня ЗФ характерно для клеток
с активным процессом фотосинтеза. Происходит
активация акцепторной части ФС 1 и ферментов
углеродного цикла фотосинтеза.
В нашем исследовании самый короткий пе
риод адаптации наблюдался для микроводорос
Çàâèñèìîñòü áûñòðîé êîìïîíåíòû G(èìï) îò âðåìåíè (÷àñ)
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Âðåìÿ,÷àñ
ñðåäà Ïðàòà
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рисунок 1. Изменение параметра G во времени
ВЕСТНИК ОГУ №12 (131)/декабрь`2011
405
Проблемы экологии Южного Урала
лей, растущих на воде из источников №2 (р. Дон
гуз), №6 (очистные сооружения), №7 (озеро Ми
кутка), №8 (карьер Славянский).
В результате проведенного корреляционно
го анализа выявлена корреляция между Gmax и
содержанием сульфатионов, нитратионов,
жесткостью и концентрацией ионов меди
(p = 0,15).
Таким образом, проведенное исследование
подтверждает возможность применения метода
регистрации замедленной флуоресценции для
оценки качества природных вод.
11.09.2011
Список литературы:
1. Рубин А.Б. Биофизика фотосинтеза и методы экологического мониторинга // Технология живых систем. 2005. Т. 2.
С. 47–68.
2. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. М.: Наука, 1990.
3. Маторин Д.Н., Венедиктов П.С., Рубин А.Б. Использование люминесцентных методов для исследования состояния
фотосинтетического аппарата и его реакции на воздействие факторов внешней среды // Проблемы экологического
мониторинга и моделирования экосистем, том VIII. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 280 с.
4. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и
буровых растворов. Министерство природных ресурсов РФ РЭФИА. НИА. М.: Природа, 2002. 117c.
Сведения об авторах:
Кушнарева Ольга Павловна, ст. преподаватель кафедры химии
Оренбургского государственного университета
Ефремов Игорь Владимирович, зав. кафедрой БЖД
Оренбургского государственного университета, д.б.н.
Перекрестова Елена Николаевна, преподаватель кафедры химии
Оренбургского государственного университета
460018, г. Оренбург, прт Победы, 13
UDC 556.51:582.26/27
Kushnareva O.P., Ephremov I.V., Perekrestova E.N.
Orenburg state university, email: [email protected]
APPLICATION OF THE METHOD OF REGISTRATION DELAYED CHLOROPHYLL FLUORESCENCE OF
ALGAE TO ASSESS THE QUALITY OF NATURAL WATERS
In article authors offer a technique of biotesting of natural waters on the basis of registration of the slowed
down fluorescence of a chlorophyll of microseaweed. Results of application of this technique for various reservoirs
are resulted. Theoretical positions about mechanisms of the slowed down fluorescence for the analysis of the
received curves are used. Correlation dependences between parameters of the slowed down fluorescence and
a chemical compound of natural waters are established.
Key words: the microseaweed, the slowed down fluorescence, photosynthesis, natural waters, biotesting.
Bibliography:
1. Rubin A.B. Biophysics’s of photosynthesis and ecological monitoring methods//Technology of live systems. 2005. Т. 2.
With. 47–68.
2. Veselovsky V. А., Veselova T.V. Luminescence of plants. М: the Science, 1990.
3. Matorin V.N., Venediktov P. S, Rubin A.B. Usage of luminescent methods for research of a condition of the photosynthetic
device and its reaction to influence of factors of environment//Problems of ecological monitoring and modeling of
ecosystems, VIII. – L.: Hidrometeoizdat, 1985.280 with.
4. A management by definition by a method of biotesting of toxicity of waters, the ground adjournment, polluting substances
and chisel solutions. The ministry of natural resources of Russian Federation . М: the Nature, 2002. 117p.
406
ВЕСТНИК ОГУ №12 (131)/декабрь`2011